一种海工栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统设计与仿真分析

邱少华，施卫东，宋志国，纪立超，杨 旭

(1.南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006；2.南通大学，江苏 南通 226019； 3.山东大学海洋研究院，山东 青岛 266237)

1 引 言

近年来，随着海上石油开采、海上风力发电、远洋运输等海上作业活动日益频繁，海工装备的种类、功能、重量等不断升级与提高。长期的海上作业活动，需要人员与物料的有效补给，补给装备成为海工装备的核心部件。复杂恶劣海况下，海工栈桥可在船体与船体或船体与建筑物间建立人员通道，通过波浪补偿保证栈桥两端始终连接两个对接目标，避免栈桥受到过载的连接力，保证人员与物料补给的安全。海工栈桥在大型海上生活平台、风电运维船、综合补给舰等拥有广泛的应用前景。

针对具备波浪补偿功能的海工栈桥，国内外学者从设计、制造与测试等多个角度开展了大量的研究工作。挪威海洋技术研究所的Wu采用频域方法建立了一种主动波浪补偿栈桥的对接操作数值计算模型，可对栈桥搭接作业的可操作性进行有效评估[1]。九江精密测试技术研究所的苏长青等设计出一种具备横摇、纵摇与伸缩补偿功能的栈桥，并对栈桥开展了运动学分析与控制系统设计[2]。上海振华重工的胡贯勇等设计了一种包含回转、俯仰与伸缩3个关节的海工栈桥，并提出栈桥搭接前采用主动波浪补偿控制及搭接后采用被动波浪补偿控制的控制思路[3]。坎塔布里亚大学的Raúl Guanche等提出了一种可评估运维船舶和浮式风力发电平台间安全人员输送的波高限制计算方法[4]。中船华南船舶机械的安万平等对比分析了不同波浪补偿原理，设计了一种新型栈桥波浪补偿液压控制系统，其中回转关节采用随动补偿，横摇与变幅关节采用主动补偿，伸缩采用恒推力补偿控制[5]。南通中远海运船务工程的刘朋提出了一种大型海工栈桥的码头试验方法[6]。哈尔滨工程大学的Liang Lihua等建立了一种三自由度海工栈桥的运动学与动力学模型，并基于关节的逆动力学设计一种主动波浪补偿控制策略[7]。

上述研究，在栈桥主动波浪补偿与被动波浪补偿方面提出了系列的解决方案。然而，由于海况与作业目标的复杂性，单一补偿模式无法满足众多现场要求。因此，需要设计一种具备多功能的栈桥液压控制系统，拓展栈桥的应用领域。

本文综合考虑海工栈桥的各类典型工况，设计了一种集主动波浪补偿、恒撑力被动波浪补偿、无约束随动波浪补偿三种功能于一体的伸缩液压控制系统，并在AMEsim软件中，建立了该系统的仿真分析模型，研究系统在不同工况下的工作性能，以及不同工况下的模式切换情况。结果表明，多功能伸缩补偿液压控制系统可以完成不同工况的补偿控制，并具有工况切换平稳的特点。

2 栈桥伸缩机构分析

伸缩机构是海工栈桥波浪补偿机构的末端运动关节，主要通过伸长与缩短栈桥过道的长度，配合栈桥的回转运动关节与俯仰运动关节，补偿复杂海况下的船体与目标载体间的位姿变化，保障人员与物料的安全可靠运输。目前，栈桥伸缩运动的驱动方式可分为液压马达驱动齿轮齿条与液压缸直接驱动两类。液压缸的伸缩驱动装置具有运动精度高、传动效率高、安装简单、易于维护等优点，但伸缩行程受限于液压缸的自身长度，因此主要应用于高精度的中小型海工栈桥。在液压缸驱动伸缩机构进行伸缩补偿运动时，受到栈桥自身惯性力、自身重力、人员/货物惯性力、人员/货物重力、机构摩擦力、不确定风载荷等载荷的影响。并且由于现场海况复杂，船体与目标载体间的位姿变化速度较快，要求伸缩运动速度也较快。

本文针对上述工况环境，设计了一种新型的大流量、高精度电液比例控制系统，可实现主动波浪补偿、恒撑力被动波浪补偿、低阻力自由位置被动补偿控制三种功能。在主动波浪补偿控制模式下(主要面向栈桥末端与目标载体未刚性连接情况)，可实现伸缩机构的精确位置控制，配合其余运动关节，实现栈桥末端搭接点与目标载体间保持空间位置相对静止。在恒撑力被动波浪补偿(主要面向栈桥末端与目标载体接触但不连接)模式下，可实现伸缩机构与目标载体间垂直接触力的精确控制，配合其余运动关节，在保证栈桥桥体受力可控的前提下，避免栈桥与目标载体发生脱离。在无约束随动波浪补偿模式下(主要面向栈桥末端与目标载体刚性连接的情况)，可实现伸缩机构的自由直线运动，配合其余运动关节，保证栈桥桥体受力可控。

3 栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统原理设计

海工栈桥伸缩补偿液压控制系统包括主动位置控制、恒撑力被动位置控制与低阻力自由位置被动补偿控制三个功能模块及其相关模式切换控制模块。主动波浪补偿位置控制由大流量三位四通比例换向阀控制液压缸实现，液压缸内装有位移传感器，提供实时的位移反馈。液压缸两腔的出口处均设有压力传感器，提供实时的压力反馈。液压缸两腔之间设有节流口以提高系统阻尼。恒撑力被动位置控制由恒压蓄能器组、两位四通比例换向阀与伸缩液压缸共同完成，通过调节两位四通比例换向阀的阀芯位置，可实现模式切换过程中压力的有效控制。无约束自由位置控制由两个两位四通液控换向阀与伸缩液压缸共同完成。图1为本文设计的海工栈桥伸缩补偿液压控制系统原理图，其中，1～6为储气瓶；7，16，17为压力传感器；8为两位四通比例换向阀；9为液压缸；10为位移传感器；11为活塞式蓄能器；12，14为节流阀；15，18为两位四通液控换向阀；19，21为两位四通电磁换向阀；20为三位四通比例换向阀；22为液压油源；23为油箱。

图1 栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统原理图

3.1 主动波浪补偿控制设计

面向对接浮体目标缺少机械连接点，或者栈桥与目标机械连接前需要保持栈桥末端与目标浮体空间位置相对静止，以避免栈桥与目标搭接点间的刚性碰撞，保证人员与物料的安全运输，针对这一功能，本文设计一种基于位置前馈的PD控制策略，实现伸缩关节位置的高速高精度位置控制。基于位置前馈的PD控制策略，根据伸缩关节位置反馈与运动学逆解得到伸缩关节参考信号，调整三位四通比例换向阀阀芯，实现液压缸的位置控制。

液压缸伸出过程中，油源内的高压油经三位四通比例换向阀流入液压缸无杆腔，液压缸有杆腔内的液压油经三位四通比例换向阀流回油箱。液压缸缩回过程中，油源内的高压油经三位四通比例换向阀流入液压缸有杆腔，液压缸无杆腔内的液压油经三位四通比例换向阀流回油箱。

3.2 恒撑力被动补偿控制设计

面向部分对接目标平台承重不够，无法支撑栈桥部分自重，设计一种恒撑力补偿控制回路。栈桥末端与对接目标碰触后，将主油路切换为恒压蓄能器组，并将其作为稳定的恒压油源。液压缸在恒压蓄能器组的作用下输出恒定撑紧力，使栈桥末端撑在对接目标侧面，并保证搭接过程不发生脱离，实现恒撑力被动补偿控制功能。

系统由主动补偿切换至恒撑力补偿的过程中，三位四通比例换向阀切换至中位，两位四通比例换向阀缓缓打开至最大开口，逐渐降低蓄能器出口与液压缸无杆腔的压差，液压缸在无杆腔内恒压油的作用下做恒力推进运动。在波浪扰动作用下，对接目标距离增大时，伸缩液压缸伸出，蓄能器组内油液经过两位四通比例换向阀进入液压缸无杆腔，液压缸有杆腔内油液经两位四通比例换向阀流回油箱；对接目标距离减小时，伸缩液压缸缩回，油箱内油液经过两位四通比例换向阀补充至液压缸有杆腔，液压缸无杆腔内油液经过两位四通比例换向阀流入蓄能器组。

3.3 低阻力自由位置被动补偿控制设计

面向部分对接目标对接平台可以支撑栈桥部分自重，并可完成与栈桥的刚性连接，设计一种低阻力自由位置被动补偿控制回路。当栈桥伸缩液压控制系统与目标物体搭接后，伸缩液压缸的有杆腔与无杆腔均直接接入油箱，实现低阻力自由随动伸缩，降低伸缩运动给船体与对接目标带来的耦合作用力。

当系统由主动补偿控制切换至低阻力自由位置被动补偿控制的过程中，三位四通比例换向阀复位至中位，两个两位四通液控换向阀切换至左位，将伸缩液压缸的有杆腔与无杆腔分别接入油箱。在波浪扰动作用下，对接目标距离增大时，伸缩液压缸伸出，油箱内油液经两位四通液控换向阀进入液压缸无杆腔，液压缸有杆腔的油液经过两位四通液控换向阀流入油箱。对接目标距离缩小时，伸缩液压缸缩回，油箱内油液经两位四通液控换向阀进入液压缸有杆腔，液压缸无杆腔的油液经两位四通液控换向阀流入油箱。

4 栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统仿真分析

基于AMEsim软件，建立海工栈桥伸缩补偿液压控制系统的主动波浪补偿控制、恒撑力被动波浪补偿控制与低阻力自由位置波浪补偿控制三个功能模块的仿真分析模型，对三

种波浪补偿典型工况进行仿真分析，并对主动波浪补偿至恒撑力被动波浪补偿、主动波浪补偿至低阻力自由位置波浪补偿进行仿真分析。

4.1 主动波浪补偿控制分析

在AMEsim软件中，搭建伸缩机构的主动波浪补偿控制仿真分析模型，如图2所示。控制系统部分参数设置如下：两位四通比例换向阀8、两位四通电磁换向阀19、两位四通电磁换向阀21的输入控制信号均设置为0，使两位四通比例换向阀8、两位四通液控换向阀15、两位四通液控换向阀18处于复位位置，此时三位四通比例换向阀20直接控制伸缩液压缸9的位置。在这一液压系统基础上，设计一种位置前馈的比例微分控制策略， 参考位置信号经过微分， 直接作用于三位四通比例换向阀20，参考信号与实际液压缸位移反馈之差，经过比例与微分控制，同样作用于三位四通比例换向阀20，以期同时实现液压系统高动态响应与高精度追踪。

图2 伸缩机构主动波浪补偿仿真分析模型

为测试设计的系统及其控制策略在主动波浪补偿模式下的轨迹控制性能，输入一个幅值为±1m，频率为0.08Hz的正弦参考信号(最大速度0.5m/s)，仿真结果如图3所示。从仿真结果可以看出，液压缸的实际位移曲线与输入的参考信号位移曲线高度一致，其误差控制在±0.006m范围之间。因此，设计的栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统可以较好地实现主动波浪补偿控制。

(a)正弦位置追踪仿真结果 (b)正弦位置追踪误差仿真结果图3 仿真结果

4.2 恒撑力被动波浪补偿控制分析

在图2模型基础上，进一步修改参考位置信号、两位四通比例换向阀的输入信号与控制器输出信号等参数，研究系统由主动波浪补偿控制模式切换至恒撑力被动波浪补偿控制模式时的系统响应状态。此外，在AMEsim软件中，搭建伸缩机构的恒撑力被动波浪补偿控制仿真分析模型，研究在波浪扰动引起船体位移发生偏离情况下的撑紧力控制性能，如图4所示。

图5为系统由主动波浪补偿控制模式切换至恒撑力被动波浪补偿控制模式时的系统压力与位移响应。此时，主动波浪补偿位置控制参考值为1m，并设置对接目标距离1.05m。系统在3s～5s采用主动波浪补偿控制模式，5s～10s采用恒撑力被动波浪补偿控制模式(位置控制器输出为0)。为实现平稳切换，从5s开始两位四通比例阀阀口线性开启(开启速率根据压差决定)，直至最大开口。由仿真可知，模式切换过程中，伸缩液压缸无杆腔压力稳定过渡， 直至与蓄能器压力相同， 且位移平稳变化。 因此， 设计的系统及控制策略可保证主动波浪补偿控制模式至恒撑力被动波浪补偿控制模式的平稳切换。

图4 波浪扰动下的恒撑力仿真分析模型

(a)位移-时间的变化曲线 (b)压力-时间的变化曲线 (c)支撑力-时间的变化曲线图5 压力与位移响应

图6为系统受到一个幅值为±1m、频率为0.08Hz的正弦位移扰动时(最大速度0.5m/s)，伸缩补偿系统的压力时间响应特点。仿真结果表明，支撑力波动控制在±400N以内。因此，设计的恒撑力被动波浪补偿控制系统在面对复杂快速的波浪扰动时，可保证撑紧力的稳定，避免栈桥末端与目标发生脱离，同时避免过大接触力的发生。

4.3 低阻力自由位置波浪补偿控制分析

在图2模型基础上，进一步修改参考位置信号、两位四通液控换向阀控制信号与控制器输出信号等，研究系统由主动波浪补偿控制模式切换至低阻力自由位置波浪补偿控制模式时的系统响应状态。在AMEsim软件中，搭建伸缩机构的低阻力自由位置波浪补偿控制仿真分析模型，研究在波浪扰动引起船体位移发生偏离的情况下，伸缩液压系统的随动补偿性能，如图7所示。

为分析系统由主动波浪补偿控制模式切换至低阻力自由位置波浪补偿控制时的系统响应状态，在仿真过程中，让系统在3s～5s工作在主动波浪补偿控制模式，5s时切换至低阻力自由位置波浪补偿控制模式，仿真结果如图8所示。结果表明，在切换过程中，伸缩液压缸的无杆腔与有杆腔压力迅速恢复至回油压力，切换过程未引起压力与位置冲击。

图7 波浪扰动下的低阻力自由位置波浪补偿分析模型

在图7所示模式中，施加一个幅值为±1m、频率为0.08Hz的正弦位移扰动时(最大速度0.5m/s)，系统响应分析结果如图9所示。由图可知， 无杆腔与有杆腔压力波动可

以控制在±0.6bar以内，伸缩阻力可以控制在±160N以内(不包括伸缩液压缸自身的惯性力)。

5 结 论

本文设计了一种新型海工栈桥多功能伸缩补偿液压控制系统，具备主动波浪补偿控制、恒撑力被动波浪补偿控制与低阻力自由位置波浪补偿控制三种功能。主动波浪补偿控制可满足无搭接工况，以及有搭接的搭接前工况的末端位置补偿，避免栈桥末端与目标物间刚性碰触。恒撑力被动波浪补偿控制适用于有搭接侧面的作业目标，通过对栈桥末端与目标物间接触力的精确控制，避免栈桥末端与目标物发生脱离与刚性接触，保证人员与物料的安全运输。低阻力自由位置波浪补偿控制适用于有搭接平面的作业目标，通过降低栈桥关节随动阻力，保证复杂工况下搭接点的可靠性，保证人员与物料的安全运输。仿真结果表明，设计的液压系统可以很好地完成上述功能。此外，由主动波浪补偿控制至恒撑力被动波浪补偿控制的切换，以及由主动波浪补偿控制至低阻力自由位置波浪补偿控制的切换，平稳无冲击。基于本文的原理设计，下一步可开展工程设计与应用设计研究。

(a)液压缸压力-时间变化曲线 (b)液压缸位移-时间变化曲线图8 仿真结果

(a)位移-时间变化曲线 (b)压力-时间变化曲线 (c)伸缩阻力-时间变化曲线图9 系统响应分析结果